申建建, 程春田, 曹 瑞, 陸建宇

(1. 大連理工大學水電與水信息研究所, 遼寧省大連市 116023; 2. 國家電網(wǎng)華東電力調控分中心, 上海市 200122)

0 引言

中國水能資源非常豐富,但80%分布在西部且67%集中在西南[1],實施“西電東送”戰(zhàn)略,將金沙江、瀾滄江、雅礱江、紅水河、烏江、長江等特大流域干流梯級水電利用特高壓交直流電網(wǎng)輸送至華南、華東、華中等負荷中心地區(qū),是充分發(fā)揮中國水能資源優(yōu)勢,解決東中部、沿海地區(qū)優(yōu)質電力緊缺,減緩化石燃料等一次能源污染,促進國家能源結構轉型的重要舉措[2]。

“西電東送”實施十多年來,中國水電和電網(wǎng)建設取得史無前例的發(fā)展。在電源側,集中建成一批西電東送水電骨干電源[3],其中三峽、溪洛渡、糯扎渡、向家壩、龍灘、小灣、錦屏梯級等裝機容量均超過3.5 GW[4-6],這些巨型水電站構成了多個超千萬千瓦級特大流域水電輸送基地,并形成了世界首個億千瓦級區(qū)域水電系統(tǒng);全國水電總裝機在2004年、2010年、2014年分別突破100,200,300 GW,2016年底達到332 GW[7-8],近十年增長規(guī)模已是世界水電裝機排名第二巴西的2倍。在電網(wǎng)側,西電東送主網(wǎng)架規(guī)模迅速擴大[9],南線通道建成“九直八交”骨干網(wǎng)架,包括楚穗、普僑±800 kV特高壓直流,天廣、三廣、金中、貴廣、牛叢±500 kV超高壓直流,以及天廣、貴廣500 kV超高壓交流,形成了金沙江中游和下游、瀾滄江下游、珠江上游水電和貴州西部坑口火電集中向廣東廣西送電的格局,目前電力輸送規(guī)模超過39.50 GW;中線通道在華東電網(wǎng)受端涉及賓金、復奉、錦蘇、林楓、龍政、葛南、宜華、靈紹等8條跨區(qū)超、特高壓直流聯(lián)絡線,額定輸送能力達39.76 GW。截至2016年底,西電東送南通道和中通道總輸送規(guī)模超過70 GW,伴隨未來金沙江、雅礱江、瀾滄江等水電基地全面建成,雅魯藏布江、怒江等流域水電的規(guī)?；_發(fā),以及配套超、特高壓交直流輸電網(wǎng)絡建設,水電輸送規(guī)模預計很快將突破100 GW,接近目前全國水電總裝機容量的三分之一。

中國水電跨省跨區(qū)遠距離輸送,從無到有且接近100 GW,無論從輸送規(guī)模還是發(fā)展速度上都是前所未有的,水電調度運行方式也隨之發(fā)生極大改變。從以就地消納為主轉向跨省跨區(qū)消納,從單一電網(wǎng)轉向多電網(wǎng)負荷需求響應,從單一梯級發(fā)電調度發(fā)展到跨流域、跨省、跨區(qū)域調度,形成了極其復雜的異構并網(wǎng)與互聯(lián)關系,面臨多級輸送斷面控制、可變機組限制區(qū)、水力電力關聯(lián)和級聯(lián)連鎖反應、更大范圍的消納、調峰多目標協(xié)調等新條件、新需求,產(chǎn)生了很多世界水電史上從未有過的調度運行難題[10],特別是大規(guī)模直流水電饋入受端后,給原本以火電為主的電網(wǎng)調度運行帶來巨大沖擊,出現(xiàn)了低谷消納困難、網(wǎng)間高峰負荷博弈、消納和調峰多目標協(xié)調、直流水電多源多網(wǎng)復雜協(xié)調等一系列新問題、新挑戰(zhàn)[11-13]。這些問題嚴重影響中國水電的調度運行和電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定,在很大程度上制約了水電的規(guī)?；焖侔l(fā)展和全國范圍內的資源優(yōu)化配置。為此,本文立足于中國水電現(xiàn)在和未來發(fā)展需求,通過與世界水電大國相比,分析了中國水電跨省區(qū)輸送的主要特點,并圍繞水電消納和調峰主線,細述了水電消納調度的發(fā)展過程和不同發(fā)展階段對水電消納問題的解決思路與技術途徑,提煉總結了四類主要水電調峰方法,概述了水電跨省區(qū)消納階段面臨的多電網(wǎng)調峰問題研究進展,最后在分析與總結基礎上,提出了應對中國水電大規(guī)模消納和響應多電網(wǎng)復雜調峰需求的關鍵問題及技術建議。

1 中國水電跨省區(qū)輸送的主要特點

近幾十年,世界主要水電國家多數(shù)都經(jīng)歷了水電大規(guī)模開發(fā)和跨省、跨區(qū)，甚至跨國遠距離輸送的發(fā)展過程,與美國、巴西等其他水電大國相比,中國“西電東送”工程發(fā)展速度非常驚人,在南線和中線通道已形成特高壓交直流水電輸送骨干網(wǎng)架(見附錄A圖A1),在輸送規(guī)模、并網(wǎng)結構、受端電源結構、送端電源運行方式、電力市場環(huán)境等方面也呈現(xiàn)出明顯不同的特點和復雜性。

1)輸送規(guī)模大

上文已提及,目前中國“西電東送”水電輸送規(guī)模超過70 GW,很快將達到100 GW,相當于世界水電裝機排名第三美國的總容量,遠超過水電排名第二巴西約16 GW的特高壓直流水電輸送規(guī)模,以及美國、加拿大20多 GW的跨國跨省區(qū)水電輸送能力[14-15]。在世界水電史上,類似中國如此龐大的水電遠距離輸送消納規(guī)模,絕無僅有。

2)并網(wǎng)關系復雜

中國特大流域巨型水電站群并網(wǎng)關系極其復雜,存在同一電站機組并入不同聯(lián)絡線,同一流域上下游、不同流域梯級水電站或機組并入同一聯(lián)絡線情況,導致了復雜的“異構并網(wǎng)”問題。例如三峽,需要通過多條特高壓直流聯(lián)絡線送電華東、華中、南方三個區(qū)域電網(wǎng),而且在區(qū)域內需要進一步分配到多個省級電網(wǎng),電力互聯(lián)結構非常復雜,是伊泰普、拉格朗德二級、古里、美麗山等世界大型水電工程所無法比擬的[16-17]。

3)受端電源結構存在顯著差異

盡管中國水能資源儲量和水電裝機容量均居世界首位,但從全國電源結構整體分析,火電裝機比重仍高達64%(2016年底),西電東送多數(shù)受端電網(wǎng)的火電比重超過80%甚至90%。由于燃煤火電機組調節(jié)性能差,與直流水電的協(xié)調靈活性差,所以面臨的水電消納、調峰等問題非常突出。相對而言,巴西、加拿大、挪威等國家水電裝機比重很大,特高壓直流水電與受端電網(wǎng)電源間協(xié)調矛盾較小[18-19],美國則是燃氣機組比重較大[20],系統(tǒng)可調容量大,調節(jié)能力強,也未出現(xiàn)突出的水電消納和調峰難題。

4)送端水電站運行控制要求復雜

中國“西電東送”骨干電源如三峽、溪洛渡、向家壩、小灣、糯扎渡、錦屏、龍灘等普遍具有高壩大庫、大容量、大機組、多電網(wǎng)負荷響應等特點,水力電力時空耦合非常緊密,在調度運行中,上下游電站間、時段間的出力、水頭、流量極易發(fā)生關聯(lián)和級聯(lián)變化,導致運行工況預測與出力控制難度很大,為避免誘發(fā)嚴重的安全運行問題,這些水電站送電計劃多數(shù)為不調峰出力過程或者調峰幅度很小,并沒有真正發(fā)揮水電的優(yōu)質調節(jié)作用,給受端電網(wǎng)水電消納帶來很大困難。

5)電力市場環(huán)境不同

中國特高壓直流水電輸送方式、電量合同、計劃安排通常需要政府部門、國家/區(qū)域/省級各級電網(wǎng)、發(fā)電集團等多方共同商定,不同利益主體間的需求差異大幅增加了水電站調度、直流輸送計劃安排、網(wǎng)間電力和電量分配難度,這種集中調度管理方式與美國、加拿大等開放的電力市場明顯不同[21],在市場環(huán)境下,以價格為驅動,可以有效引導解決水電消納、調峰等關鍵問題。

總體來看,中國水電輸送的規(guī)模、并網(wǎng)方式、需要滿足的調度運行要求和市場條件均是世界其他水電大國所未曾遇到的,如此大規(guī)模復雜互聯(lián)水電系統(tǒng)面臨的調度問題也是極富挑戰(zhàn)性的,需要結合中國水電和電網(wǎng)的特征與運行要求,并圍繞水電消納和調峰等主要任務,細致分析互聯(lián)水電系統(tǒng)調度運行面臨的主要難題,探索破解這些難題的高效技術途徑,以更好地服務于中國水電快速發(fā)展。

2 水電受端電網(wǎng)面臨的消納和調峰問題

2.1 水電低谷消納問題

“西電東送”受端電網(wǎng)普遍以火電為主[22],例如廣東、上海、浙江、江蘇等網(wǎng)內火電比重均超過90%,系統(tǒng)調節(jié)能力通常相對較弱,尤其負荷低谷時段火電系統(tǒng)整體出力很難有效降低,使得受端電網(wǎng)低谷消納壓力隨西南直流水電饋入規(guī)模的增大也不斷加大。以上海電網(wǎng)為例,其火電比重接近100%,且絕大部分裝機來自煤電機組,由于許多自備電廠和部分供熱煤電機組無法參與負荷調節(jié)[23],再加之機組自身可調容量相對較低,豐水期直流大功率饋入情形下,即使將煤電機組最小出力壓至約48%額定連續(xù)出力,讓其深度調峰,系統(tǒng)低谷時段的總供應能力也會明顯超過負荷需求,水電消納難度極大,這一問題已成為上海及其他水電主要受端電網(wǎng)調度運行面臨的重要難題,是制約中國水電大規(guī)?？缡】鐓^(qū)輸送和發(fā)揮其優(yōu)質調節(jié)性能的重要因素之一。

2.2 水電消納與調峰協(xié)調問題

中國電網(wǎng)普遍存在調峰壓力[24],東中部以火電為主電網(wǎng)的壓力尤為突出,而且隨著近幾年西南水電饋入規(guī)模的增大調峰壓力也在不斷加大。上文提及,豐水期6～9月西南水電需要大功率甚至滿功率饋入受端電網(wǎng),這種情況下電網(wǎng)通常需要強行調停部分燃煤機組,以滿足水電大規(guī)模消納需求,但勢必會減少系統(tǒng)可調容量,削弱系統(tǒng)調峰能力,再加之特高壓直流配套水電整體調節(jié)性能較差(如上海電網(wǎng),夏秋季直流水電基本為不調峰直線計劃,春冬季最大調峰幅度也未超過額定容量的15%)[23],導致水電消納與電網(wǎng)調峰矛盾非常突出。這一問題實質是西南直流水電與受端電網(wǎng)網(wǎng)內電源的協(xié)調優(yōu)化問題,主要體現(xiàn)在兩個方面：一是需要研究如何充分利用電源間運行特性差異,合理高效安排電站發(fā)電計劃,以深度挖掘電源系統(tǒng)的負荷調節(jié)能力;二是應該致力于研究更加科學的直流水電輸送方式,探索如何考慮受端電網(wǎng)負荷需求和直流聯(lián)絡線輸送能力與控制要求,建立適合的水電消納優(yōu)化調度模型和方法,切實發(fā)揮西南優(yōu)質水電的調節(jié)作用,緩解水電消納和調峰巨大壓力。

2.3 網(wǎng)間負荷博弈問題

“西電東送”直流水電通常涉及多個省級電網(wǎng),部分巨型水電站如三峽、溪洛渡的輸電聯(lián)絡線更是關聯(lián)多個區(qū)域電網(wǎng),直流水電在這些電網(wǎng)間的電量和電力分配是非常復雜的網(wǎng)間負荷博弈問題[25]。由于電源特性、負荷特性、受電量比例和規(guī)模的極大差異,現(xiàn)階段按照多方協(xié)議框架規(guī)定,采用固定比例的網(wǎng)間電力分配方式無法響應不同電網(wǎng)的差異化負荷需求,難以實現(xiàn)水電優(yōu)化配置,很多時候甚至會增加水電消納和電網(wǎng)調峰困難,如何科學描述復雜的多電網(wǎng)電力競爭博弈關系,切實反映多利益主體不同訴求并實現(xiàn)直流水電優(yōu)化配置,是大電網(wǎng)平臺下水電運行面臨的新的理論和實踐挑戰(zhàn)。這一問題涉及網(wǎng)省甚至網(wǎng)網(wǎng)協(xié)調優(yōu)化,核心是在基本不改變現(xiàn)有直流輸電方式的前提下,如何利用多個受端電網(wǎng)的負荷特性差異合理配置直流水電,特別是利用負荷高峰及出現(xiàn)時間不同進行錯峰調節(jié),實現(xiàn)網(wǎng)間同品質電能互濟,這是解決網(wǎng)間負荷博弈問題、緩解電網(wǎng)調峰壓力的重要技術途徑,也是面臨的關鍵挑戰(zhàn)。

綜上所述,如何通過大電網(wǎng)平臺提高西南水電消納水平以減少棄水,同時緩解受端電網(wǎng)普遍存在的調峰壓力,是中國水電調度和運行管理面臨的重大挑戰(zhàn),已成為阻礙水電和電網(wǎng)持續(xù)、快速、規(guī)?；l(fā)展的瓶頸問題之一。上文通過分析總結中國水電主要受端電網(wǎng)面臨的低谷消納、調峰，以及網(wǎng)間負荷分配博弈等核心調度問題,以期為提高西南水電消納規(guī)模和質量,發(fā)揮水電優(yōu)質調節(jié)能力提供準確的研究方向。

3 中國水電消納和調峰調度研究進展

3.1 水電消納調度研究進展

水電系統(tǒng)經(jīng)歷了從就地消納為主到跨省、跨區(qū)域、跨國消納的發(fā)展歷程,隨著消納范圍和規(guī)模的不斷擴大,水電運行中的消納問題日益突出,關注與研究日益增多。在就地消納階段,水電站或水電系統(tǒng)大多是滿足某一地區(qū)或者單一省份的電力需求,這個階段的電源規(guī)模普遍較小,網(wǎng)架結構相對簡單[26],基本不存在因水電大規(guī)模輸送和通道限制導致的突出水電消納難題,所以大多數(shù)水電調度建模研究并未重點提及如何科學描述和求解水電消納問題,但就其實質而言,這些報道也是建立在水電可消納基礎上開展的并網(wǎng)運行研究,比較典型的研究成果如發(fā)電量最大模型[27-28],根本目的也是希望電網(wǎng)盡可能多地消納水電。

在遠距離輸送消納階段,水電的輸送規(guī)模、網(wǎng)架結構、關聯(lián)的送受端電源和電網(wǎng)數(shù)量與以往不可同日而語,相關的研究也開始重點分析水電消納問題和探究應對策略。這個階段的早期研究報道主要側重于定性分析,針對水電的送電范圍、送電規(guī)模、送電方式等,結合特高壓交直流聯(lián)絡線輸送能力和未來規(guī)劃,研究水電消納的可行性方案,提出適當?shù)慕ㄗh和策略。例如,Graham等專家結合巴西Belo Monte和Rio Madeira水電輸送工程,研究了特高壓直流聯(lián)絡線的最優(yōu)布局和輸電規(guī)模問題,并與中國、印度等特高壓直流水電輸送工程對比,分析了巴西水電通過大電網(wǎng)輸送消納的優(yōu)點[15];再如,部分研究針對中國西南水電消納問題,通過分析水電基地開發(fā)容量及受電地區(qū)電力需求情況,提出西南水電的外送方案,包括送電規(guī)模、受電市場容量及送電方向等[29-30];另有類似的有關中國三峽、巴西Itaipu、委內瑞拉Guri、加拿大La Grande、南非Western Power Corridor等工程以及受端電網(wǎng)的許多研究,從不同角度出發(fā),針對水電輸送問題和電網(wǎng)可消納能力開展了定性分析[16,31-34]。這些成果對于水電大范圍優(yōu)化配置的整體布局與規(guī)劃有重要指導和參考作用,但在實際調度運行中,仍需要更為精細和具體的定量分析方法、建模理論與求解技術,以指導工程實際運行。

伴隨特高壓直流水電饋入規(guī)模急劇擴大,水電輸送對互聯(lián)電網(wǎng)運行的影響明顯增大,在調度運行中增加考慮水電消納需求、直流聯(lián)絡線控制條件和輸送限制約束得到了更多重視,出現(xiàn)了適應水電消納的優(yōu)化調度模型。例如,三峽電力系統(tǒng)大型水電站群與三峽電站聯(lián)合運行補償調度模型[35]、南方電網(wǎng)區(qū)域內水電系統(tǒng)可吸納電量最大模型[36]、三峽—葛洲壩全系統(tǒng)社會效益最大模型[37]等研究成果,均考慮特高壓交直流聯(lián)絡線通道能力,提出了以送端水電站群為研究對象的消納問題描述方法,以實現(xiàn)水電消納最大化或電能價值最高等目標。這些成果理論上可以實現(xiàn)一定范圍內水電全局最優(yōu)化配置,但由于缺少對受端電網(wǎng)的負荷、電源結構、水電接納能力、消納壓力等重要因素的統(tǒng)籌考慮和細致分析,優(yōu)化得到的送電消納方案在實際執(zhí)行過程中面臨很大困難,特別是對于多個受端區(qū)域或同一區(qū)域內多個省份間的多主體復雜協(xié)調關系,并未給出科學合理的分配準則和補償機制,加劇了優(yōu)化方案的執(zhí)行難度。

為了促進水電消納方案真正落地,部分學者和調度技術人員結合工程實際,開始研究影響直流水電大規(guī)模消納的重要因素及其科學描述和分析方法,期望通過指標量化思路破解水電消納困境。這類成果按照研究對象大致可分為兩類：一是針對大區(qū)電網(wǎng)如華中、華東等,研究提出了利用省間協(xié)調提高區(qū)外水電消納能力的多種便捷途徑,并給出了計及電價和碳排放的綜合經(jīng)濟性指標,以評價消納方案的經(jīng)濟性[38];二是以省級電網(wǎng)為對象,結合電網(wǎng)自身網(wǎng)絡結構特性、電源特性、負荷特性、送端水電規(guī)模等,引入了低谷調峰盈余、替代率等指標,探討電網(wǎng)對區(qū)外水電的接納能力[23,39]。這些研究開啟了水電消納分析的指標化探索,但研究對象多為特定單一的受端電網(wǎng),成果的適用性和一般性還需要進一步驗證,相關的數(shù)學表達和評價指標無法覆蓋不同受端電網(wǎng)間的差異化特性和要求,缺少全面系統(tǒng)的綜合分析,而且對于多個受端電網(wǎng)間競爭博弈關系的描述和分析,尚未形成比較系統(tǒng)的水電消納綜合評價指標體系和分配準則,需要進行系統(tǒng)性研究,以切實適應不同規(guī)模不同條件下水電大規(guī)模消納的實際需要。

3.2 水電調峰調度研究進展

調峰是電力系統(tǒng)運行的重要任務[40],也是中國電網(wǎng)普遍面臨的調度難題之一。水電機組因快速的啟停能力、爬坡能力，以及深度調峰能力,一直是電力系統(tǒng)的優(yōu)質調峰電源,針對電網(wǎng)調峰特別是水電調峰的研究也一直備受關注[41]。近幾十年的水電和電網(wǎng)調峰研究,在問題解決方式、調峰目標描述等方面取得了長足進展,形成了許多有參考和實用價值的研究成果。從調峰方式來看,大致可以總結為以下四種。

第一種可稱之為負荷優(yōu)化模型,即將電網(wǎng)的日負荷曲線融入優(yōu)化調度模型中,針對水電調節(jié)后的余留負荷序列,采用適合的數(shù)學方法構建調峰目標,進而引導水電發(fā)揮調峰作用。目前常用的目標函數(shù)有兩類,一是調峰電量最大[42],二是余留負荷均方差最小[43-44]。前者期望余留負荷最大值最小,屬于數(shù)學上的極大值極小問題,需要進一步對目標函數(shù)進行等效轉換,以便于優(yōu)化求解;后者期望余留負荷過程盡量平穩(wěn),優(yōu)化計算較為簡單,但主要適用于水電電量給定的情況,以保證最優(yōu)結果與原問題的等效性。

第二種為效益優(yōu)化方法,即在模型構建中引入電價因子,由負荷的高低決定電價的大小,一般采用電價曲線或者分段電價(如峰谷電價),構建發(fā)電效益最大模型,方法的核心就是以價格為驅動,引導水電盡可能多地在高峰時段發(fā)電,響應電網(wǎng)峰值負荷[45-47]。這種方法在國外成熟電力市場環(huán)境下應用較多,不適用于中國現(xiàn)階段集中調度方式。

第三種是基于電站運行物理機制的實用化調峰方式,例如水電站分段調峰負荷分配方法[48]、基于負荷典型的調峰幅度確定方法[49]等,基本原理都是通過分析電站調峰與負荷特性二者的內在關系,探尋水電調峰規(guī)律,簡化水電調峰模型,進而通過簡單的優(yōu)化手段快速獲得實用的調峰運行計劃,這種方式能夠有效減少優(yōu)化計算量,提高結果可用性。

第四種為經(jīng)驗調峰方法,即以實際調度經(jīng)驗為基礎,結合負荷量級、峰谷差等特性,以及水電站來水和電量控制要求,合理安排水電站在負荷圖上的工作位置,發(fā)揮水電調峰作用[50-51]。這種方式雖未進行復雜的優(yōu)化計算,但結果實用性較強,在水電調峰優(yōu)化中,可以用來快速確定初始可行解。

從調峰對象來看,隨著水電進入跨省跨區(qū)消納階段,調峰響應也從單一省級電網(wǎng)逐步過渡到區(qū)域內多個省級電網(wǎng)再到跨區(qū)電網(wǎng),從單目標發(fā)展到多目標,從單一電網(wǎng)調峰電量控制轉變?yōu)槎嚯娋W(wǎng)高峰電力協(xié)調分配。目前,有關水電和電網(wǎng)調峰的大多數(shù)研究主要集中在單一電網(wǎng),上文提及的調峰模型和方法均屬于這一類研究成果,這些成果可以為解決多電網(wǎng)調峰問題建模提供重要參考,但很難直接用于求解多電網(wǎng)調峰尤其本文網(wǎng)間高峰負荷博弈問題。對于多電網(wǎng)調峰問題的研究,從最近幾年才得到更多關注和少許文獻報道,程春田等在2012年率先提出了跨流域水電站群多電網(wǎng)調峰電量最大模型[52],隨后針對受端區(qū)域網(wǎng)省協(xié)調問題,提出了以各電網(wǎng)余荷均方差最小為目標的多電網(wǎng)調峰模型,以及解決網(wǎng)間負荷分配的二次規(guī)劃方法和啟發(fā)式負荷排序搜索方法[53-55];華中科技大學周建中教授團隊以金沙江下游梯級和雅礱江二灘跨省區(qū)送電問題為背景,也開展了這方面研究,提出了多電網(wǎng)啟發(fā)式調峰方法和水電跨省區(qū)協(xié)調分配方法[12,56-57]。總的來說,現(xiàn)階段的多電網(wǎng)調峰模型和方法仍為初步成果,遠未形成比較系統(tǒng)的建模與求解方法體系,特別是對于網(wǎng)間高峰負荷競爭博弈問題,尚沒有有效的定量分析方法與準則,以評價各電網(wǎng)的調峰壓力和需求程度,例如爬坡壓力、向上/向下調峰彈性、容量壓力、時段負荷調節(jié)壓力等,還不能科學準確地描述各電網(wǎng)的調峰訴求,這是大電網(wǎng)平臺下水電調峰運行研究新的發(fā)展趨勢,也是發(fā)揮西南直流水電對受端電網(wǎng)優(yōu)質調節(jié)作用的又一關鍵技術問題。

3.3 互聯(lián)大電網(wǎng)平臺多源多網(wǎng)協(xié)調研究進展

互聯(lián)電網(wǎng)平臺下,水電消納和調峰問題實質是復雜的多源多網(wǎng)協(xié)調問題。過去幾十年,多源協(xié)調優(yōu)化一直是電力系統(tǒng)調度運行的熱點問題,也有很多研究和應用成果報道,主要集中在水火電[58-59]、水—火—新能源[60-63]、水電與新能源[64-65]等方面,且主要面向單一電網(wǎng),針對多電網(wǎng)協(xié)調問題的研究也是隨著互聯(lián)大電網(wǎng)的形成才逐漸得到關注[66-68],而有關特高壓直流水電與受端電網(wǎng)多電源的協(xié)調研究還十分少見,綜合考慮特高壓直流水電與其他多種類型電源,以及多個電網(wǎng)的協(xié)調分析是新的發(fā)展趨勢,即多源多網(wǎng)協(xié)調問題,也是應對水電大規(guī)模消納和調峰問題必須解決的技術難點之一。

多源多網(wǎng)協(xié)調是具有海量時空耦合約束的多目標、多階段、多維度復雜優(yōu)化問題,呈現(xiàn)出高維、非線性、不連續(xù)、非凸和大規(guī)模特性,面臨極大的建模求解難度。近幾十年水電、水火電，以及水電與其他電源協(xié)調的研究,形成了許多有代表性的典型研究成果。就多電源協(xié)調方式而言,以大系統(tǒng)理論為代表的分解協(xié)調方法應用最為廣泛[69-70],基本原理是將原問題按電源類型分解為多個獨立子問題,再引入拉格朗日乘子松弛負荷、備用等復雜約束,通過不斷更新調整乘子實現(xiàn)子問題間的優(yōu)化協(xié)調,或者利用Benders解耦法對變量進行合理分組,通過交互式求解協(xié)調多個子問題;就優(yōu)化方法而言,包括以線性和非線性規(guī)劃為代表的解析式規(guī)劃方法[71-72]、以動態(tài)規(guī)劃及改進理論為代表的多階段決策優(yōu)化方法[73-74]、以人工智能方法為代表的模擬優(yōu)化方法[75-76],有關這些方法的優(yōu)缺點、適用條件和范圍,許多學者[77-81]已經(jīng)多次進行了綜述分析,不再贅述。

4 需要研究的關鍵理論與技術問題及解決思路

為有效推進水電消納和調峰調度理論與技術發(fā)展,切實服務于中國水電大規(guī)模遠距離輸送,緩解西南嚴重棄水問題,下文結合中國水電主要受端電網(wǎng)的負荷和電源特點,以及工程實際中面臨的主要難題,提煉總結了需要深入研究的關鍵理論與技術問題,并給出了適合的解決思路。

4.1 直流水電輸送方式及解決思路

中國現(xiàn)行的特高壓直流水電輸送大多從水電站自身的運行要求或者送端電網(wǎng)電力盈余角度出發(fā)安排輸送計劃,很少顧及受端電網(wǎng)的用電需求,經(jīng)常會出現(xiàn)“不調峰”甚至“反調峰”水電輸送計劃,像上文提及的上海,以及浙江、廣東等電網(wǎng)均面臨這種情況,所以合理高效的水電輸送方式至關重要,是大規(guī)模水電消納和調峰需要解決的關鍵技術問題之一。

具體來說,需要在滿足直流聯(lián)絡線輸送合同電量的條件下,研究優(yōu)化輸送計劃過程的消納模型和方法,以切實改善目前中國水電輸送“重送端輕受端”的狀況,提高受端電網(wǎng)對外來水電的消納能力;解決途徑是可將直流輸送電量作為控制條件,將受端電網(wǎng)的系統(tǒng)負荷需求納入模型當中,并考慮聯(lián)絡線輸送能力和安穩(wěn)運行要求,構建實用的消納和調峰模型,需要重點致力研究目標函數(shù)的描述方法和復雜聯(lián)絡線斷面約束的處理策略,以保證輸送計劃的可執(zhí)行性和實用性。另一方面,應結合西南水電盈余和受端電網(wǎng)用電需求,分析二者的互補特性,研究適用于不同時空條件的水電輸送方式,包括電量輸送規(guī)模和電力計劃,以及動態(tài)的調整策略,以適應流域來水或者受端需求的較大變化;這是一種較為理想的消納調度方式,解決思路是可將中長期協(xié)議輸送電量作為終極控制目標,并根據(jù)已執(zhí)行情況,確定計劃調度期內的電量增減閾值,同時結合送端各水電站來水情況以及安穩(wěn)運行控制要求,預估各自的發(fā)電量或出力可調整范圍。當需要增加輸送電量時,以梯級蓄能降幅最小為目標,或者根據(jù)耗水率從小到大順序修正送端水電站出力;當需要減少輸送電量時,以梯級蓄能增幅最大為目標,或者根據(jù)耗水率從大到小順序修正送端水電站出力;在修正過程中,需要將受端電網(wǎng)的負荷調節(jié)水平或節(jié)能經(jīng)濟指標作為目標進行綜合考慮,以引導送端水電站盡可能充分響應受端電網(wǎng)需求。

4.2 直流水電與受端電源協(xié)調問題及解決思路

上文提及,水電消納實質涉及非常復雜的多源協(xié)調,但在中國浙江、上海、江蘇、廣東等西電東送受端電網(wǎng),直流水電饋入后大多按照固定的分配方式預先從系統(tǒng)負荷需求中扣除,缺少與受端電源的有效協(xié)調,這種方式?jīng)]有充分利用不同能源形式電源間的互補運行特性來挖掘系統(tǒng)的整體調峰能力,以緩解電網(wǎng)調峰壓力。因此,如何有效協(xié)調外來直流水電與本地常規(guī)水電、抽蓄、火電、風電、光伏、核電等多種電源,也是水電消納困難需要致力解決的關鍵技術問題之一。針對該問題,具體解決途徑是在考慮直流水電輸送和電量分配的相關協(xié)議規(guī)定的條件下,分析送端電源和受電端網(wǎng)內各種電源的發(fā)電能力、調節(jié)特性、約束和控制需求等主要因素,研究確定不同能源形式電源,以及同一類型電源不同電站的發(fā)電投入順序、提高或降低出力的優(yōu)先順序、以及出力調節(jié)能力等,以盡可能提高系統(tǒng)整體的調峰水平;同時結合不同的運行條件,歸納總結出具有一般性的電源間調峰補償運行規(guī)則和對應的協(xié)調策略,以切實滿足工程實際中差異化的水電輸送和消納要求。

4.3 網(wǎng)省、網(wǎng)網(wǎng)電力互濟協(xié)調問題及解決思路

中國西南水電需要同時輸送到華東、南方、華中等多個區(qū)域電網(wǎng)和轄屬省級電網(wǎng),這些電網(wǎng)之間的電力、電量競爭博弈關系非常復雜,既面臨區(qū)域內網(wǎng)省協(xié)調,也面臨區(qū)域間網(wǎng)網(wǎng)協(xié)調問題,但現(xiàn)行的逐時段固定比例的電力分配方式并沒有考慮不同電網(wǎng)間的負荷和電源結構差異,加重了水電消納難度和調峰壓力。因此,亟需開展多個受端電網(wǎng)間網(wǎng)省、網(wǎng)網(wǎng)電力協(xié)調研究。具體來說,應重點研究網(wǎng)間電力電量博弈關系,分析各電網(wǎng)低谷時段接納直流水電的壓力極限,研究接納電量給定條件下各電網(wǎng)電力調節(jié)閾值和網(wǎng)間互濟空間,建立適合的錯峰互濟協(xié)調策略,從而充分利用各電網(wǎng)負荷互濟特性和電源調節(jié)能力差異協(xié)調受電規(guī)模和電力大小特別是高峰電力,切實響應多電網(wǎng)調峰需要。

解決途徑是可根據(jù)直流水電在受端電網(wǎng)間的分配關系和區(qū)域內省間互聯(lián)網(wǎng)架,建立網(wǎng)間互聯(lián)拓撲結構,按照從少至多、從簡至繁辨識不同電網(wǎng)組合的影響變量,研究各組合之間的影響關系,以及受電量、各時段電力分配大小對網(wǎng)間負荷博弈的影響規(guī)律;在清晰描述網(wǎng)間博弈關系基礎上,可結合各電網(wǎng)的高峰容量壓力、低谷容量壓力、負荷跟蹤壓力、負荷波動程度等指標,細致分析全調度周期電網(wǎng)接納水電的彈性空間,研究局部時段特別負荷低谷、高峰期間,在滿足電量消納目標控制的前提下,兩個電網(wǎng)間的電力調節(jié)閾值,再利用負荷差異和壓力大小,確定適合的網(wǎng)間電力互濟空間;以此為基礎,進一步推廣到三個或者多個電網(wǎng),這種情況下需要根據(jù)兩兩電網(wǎng)組合的分析結果,推求彈性空間最大的一種電力互濟方案,并提煉總結具有一般性的網(wǎng)間電力互濟策略。

4.4 水電消納和調峰價格補償機制及解決思路

大規(guī)模水電消納和調峰既是技術問題也涉及管理和經(jīng)濟問題,所以很有必要開展水電消納和調峰相關的價格補償機制研究。水電和火電作為中國最主要的兩種電源,其裝機比重高達83.6%,由于水電大規(guī)模饋入受端電網(wǎng),嚴重擠壓了火電發(fā)電空間,增加了火電機組的調峰損耗和低負荷率運行的成本,這一點在受端南方電網(wǎng)的廣東,華東電網(wǎng)的浙江、上海、江蘇,甚至送端云南電網(wǎng)的火電企業(yè)表現(xiàn)得非常突出,因此構建雙贏的補償機制極其重要。解決該問題可從三個方面著手:①開展水電消納的邊際補償準則研究,重點分析由于大規(guī)模消納省外水電,導致的省內并網(wǎng)電廠發(fā)電量下降規(guī)模和增加的額外輔助服務情況如調峰、自動發(fā)電控制(AGC)、旋轉備用等,并建立不同情況的補償規(guī)則和計算方法;②打破簡單地按電量計價的方式,研究直流水電參與受端電網(wǎng)調峰等輔助服務的峰谷差異化價格機制,以價格為驅動,引導送端電站或電網(wǎng)主動調整水電輸送計劃,盡可能響應受端精細化負荷調節(jié)要求;③直流水電在多個受端的網(wǎng)間電力分配問題從經(jīng)濟角度講是多個利益主體相互博弈和利益均衡的問題,所以在研究網(wǎng)省和網(wǎng)網(wǎng)協(xié)調問題過程中,需要同時研究網(wǎng)間電力互濟的調峰閾值和補償規(guī)則,充分考慮饋入水電在不同電網(wǎng)不同時段的價值差異,均衡各電網(wǎng)調峰效益。

5 結語

中國水電調度運行從就地消納、單一電網(wǎng)負荷響應轉向到跨流域、跨省、跨區(qū)域消納和多電網(wǎng)負荷需求響應,發(fā)展速度非常驚人,給東中部受端電網(wǎng)帶來巨大的消納和調峰壓力。然而,現(xiàn)有的理論和技術難以支撐西南水電大規(guī)模饋入后的電網(wǎng)實際運行需要,亟需研究適合大電網(wǎng)平臺的水電消納和調峰調度理論,以切實提高西南水電的消納規(guī)模和并網(wǎng)質量。本文通過與世界水電大國對比,分析了中國水電大范圍遠距離輸送的主要特點,重點闡述了水電受端電網(wǎng)面臨的消納和調峰突出問題,并結合國內外研究現(xiàn)狀和發(fā)展動態(tài),從水電消納、水電調峰，以及多源多網(wǎng)協(xié)調三個方面進行了綜述分析。從水電消納來看,中國水電消納調度相關理論和技術與水電大規(guī)?？缡^(qū)輸送現(xiàn)狀不相匹配,隨著中國水電輸送規(guī)模即將突破100 GW,受端電網(wǎng)消納問題將會更加突出,與之適應的理論方法和技術需求也更加緊迫;從水電調峰來看,作為優(yōu)質調節(jié)電源,針對水電調峰和水電發(fā)揮電網(wǎng)輔助服務的研究一直備受關注,國內外相關的理論和實踐成果也非常豐富,但普遍面向單一省級電網(wǎng),還很難適用于跨省跨區(qū)多電網(wǎng)響應問題,這方面研究成果仍處于初級階段,需要進一步深入研究,以有效發(fā)展水電和電網(wǎng)調峰理論與技術,發(fā)揮其優(yōu)質調峰作用。

附錄見本刊網(wǎng)絡版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。

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